1前言

作為電動(dòng)汽車的能量存儲(chǔ)部件，電池的功率密度、儲(chǔ)電能力、安全性等不僅決定著電動(dòng)車的行駛里程和行駛速度，更關(guān)系到電動(dòng)車的使用壽命及市場(chǎng)前景。目前，電池在實(shí)際使用中普遍存在的問題是電荷量不足，一次充電行駛里程難以滿足實(shí)用要求。

另外，用可測(cè)得的電池參數(shù)對(duì)電池荷電狀態(tài)（SOC,State-Of-Charge）作出準(zhǔn)確、可靠的估計(jì)，也一直是電動(dòng)汽車和電池研究人員關(guān)注并投入大量精力的研究課題。因此有必要建立動(dòng)力電池測(cè)試平臺(tái)，利用該平臺(tái)對(duì)電池相關(guān)參數(shù)進(jìn)行全面、精確的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)電池性能試驗(yàn)，工況模擬和算法研究，確定最合理的充放電方式及更為精確的SOC估算方法，從而合理的分配和使用電池有限的能量，盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命，進(jìn)一步降低電動(dòng)汽車的整車成本。與以往的電池測(cè)試系統(tǒng)相比，該測(cè)試平臺(tái)可全面監(jiān)測(cè)電池相關(guān)參數(shù)，并加入充放電能量的計(jì)量，可從能量的角度對(duì)電池的性能進(jìn)行描述，從能量狀態(tài)（SOE,State-Of-Energy）的角度對(duì)電池的使用效率進(jìn)行分析。系統(tǒng)硬件電路具有電池過電壓、欠電壓保護(hù)及均衡功能，可對(duì)單體電池進(jìn)行監(jiān)視和保護(hù)，減小電池間的不一致性。在充放電設(shè)備與上位機(jī)之間建立通信，控制充電機(jī)按照編程指令改變控制策略和輸出電流，檢驗(yàn)充放電電流大小、方式和環(huán)境條件對(duì)電池的電荷量及使用壽命的影響。

2測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，以單片機(jī)為核心的電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接對(duì)電池組的單體電壓、總電壓、溫度、電流、充放電容量、充放電能量等信息進(jìn)行精確測(cè)量，并通過RS232總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。由微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示并記錄接收到的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)工作狀態(tài)。另外可根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求，控制充放電設(shè)備按照編程指令輸出電流，模擬電池在某些特定條件下的使用情況。充放電設(shè)備實(shí)現(xiàn)電池組的充放電，完成電池和電網(wǎng)之間能量的雙向流動(dòng)，與監(jiān)控pC機(jī)通過CAN通信，可接收監(jiān)控pC機(jī)的編程控制指令。文中主要完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)各部分之間的實(shí)時(shí)通訊。

圖1平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括以下幾個(gè)模塊：微控制器、電源模塊、電流及安時(shí)檢測(cè)模塊、瓦時(shí)檢測(cè)模塊、電壓檢測(cè)模塊以及通信接口電路。

圖2硬件結(jié)構(gòu)圖

微控制器采用的是MC9S12DT128B芯片，該芯片具有串行接口、CAN控制器等豐富的外圍資源，只需加入電平轉(zhuǎn)換電路即可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的232通信。本設(shè)計(jì)使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)，它支持1-wire總線協(xié)議，可利用單片機(jī)的一個(gè)端口來讀取多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)字化溫度信息，擴(kuò)展方便。

電壓檢測(cè)采用bq76pL536芯片，它同時(shí)檢測(cè)3到6節(jié)電池，測(cè)量的單只電池的電壓范圍為1~5V。

該芯片由所測(cè)電池直接供電，供電電壓范圍為5.5~30V。為了保證芯片在所測(cè)電池少于3節(jié)時(shí)仍能正常工作，電路中外接9V的直流電源。在電池總電壓小于9V時(shí)，采用外部供電。該芯片具有電池過電壓，欠電壓保護(hù)功能，電壓閾值及檢測(cè)延遲時(shí)間這些保護(hù)參數(shù)可通過程序?qū)懭?。?dāng)某節(jié)電池的實(shí)際情況超過設(shè)定的安全閾值范圍時(shí)，芯片中電池故障寄存器相應(yīng)字節(jié)置位，從而通知充電機(jī)動(dòng)作，防止電池過充或過放。在芯片外圍，有MOS管與電阻構(gòu)成的均衡電路，芯片的CBx管腳可以控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷，如圖3所示。通過軟件設(shè)置，當(dāng)程序判斷出某節(jié)電池需要均衡時(shí)，該電池對(duì)應(yīng)的CBx管腳被置位，這時(shí)與CBx相連接的MOS管導(dǎo)通，均衡電路啟動(dòng)。

圖3均衡電路

CS5460A芯片能夠精確檢測(cè)和計(jì)算有功電能、瞬時(shí)功率、IRMS和VRMS,本系統(tǒng)用兩片CS5460分別檢測(cè)電流、安時(shí)和瓦時(shí)。其中一片CS5460采用分壓電阻檢測(cè)電壓，分流器檢測(cè)電流，通過軟件設(shè)置，它在每秒鐘內(nèi)對(duì)電壓、電流信號(hào)采樣4000次，并計(jì)算出瞬時(shí)功率。通過4000次功率的累計(jì)，芯片可自行計(jì)算出這一秒鐘內(nèi)的能量值，即？？瓦時(shí)。另外一片CS5460將通過電壓測(cè)量通道測(cè)量恒壓源信號(hào)，電流測(cè)量通道測(cè)量分流器信號(hào)，這樣測(cè)得的數(shù)值為電流與時(shí)間的積分，即電池電量的計(jì)量單位？？安時(shí),可用于SOC的計(jì)算。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件分為主程序、電流檢測(cè)及安時(shí)檢測(cè)、瓦時(shí)檢測(cè)、電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)以及RS232程序。系統(tǒng)上電后，主程序開始運(yùn)行。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，之后進(jìn)入主循環(huán)，然后循環(huán)調(diào)用其他子程序模塊，完成各個(gè)參數(shù)的采集、通訊等功能。

上位機(jī)監(jiān)控軟件在VC++6.0編程環(huán)境下完成，整個(gè)應(yīng)用程序采用模塊化和結(jié)構(gòu)化模式：各個(gè)程序模塊分別設(shè)計(jì)，然后用最小的接口組合起來，控制明確地從一個(gè)程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個(gè)模塊。該監(jiān)控系統(tǒng)包括：

數(shù)據(jù)顯示：實(shí)時(shí)顯示電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)所檢測(cè)到的電池總電壓、單體電壓、電流、充放電總?cè)萘?、充放電總能量、溫度等信息，將接收到的?shù)據(jù)按時(shí)間先后順序存儲(chǔ)到access形式的數(shù)據(jù)庫中。讀取已存儲(chǔ)的access庫，以列表的形式在界面上顯示數(shù)據(jù)。

參數(shù)設(shè)置及校準(zhǔn)：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上電后，通過RS232接口和pC之間的通訊，根據(jù)事先設(shè)定的通信協(xié)議，對(duì)電池的信息進(jìn)行修改，或?qū)π酒M(jìn)行軟件校準(zhǔn)等。

數(shù)據(jù)處理：分析收到的電壓、溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算出最高、最低電壓/溫度，及其位置信息，并實(shí)時(shí)顯示。

另外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)電池容量變化的實(shí)時(shí)計(jì)算，但實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，通過電流積分來進(jìn)行SOC估算存在累計(jì)誤差，所以需要定期修正。在上位機(jī)程序中，有預(yù)留的模塊添加用于SOC修正的代碼。在進(jìn)行SOC估算的實(shí)驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)實(shí)時(shí)收到的電池相關(guān)參數(shù)，結(jié)合程序事先設(shè)置好的修正方法，實(shí)現(xiàn)SOC在線估算。

充放電設(shè)備控制：在上位機(jī)程序中有預(yù)留的模塊用于添加充放電設(shè)備的控制程序，使電池的電壓、溫度、充放電容量、充放電能量等相關(guān)參數(shù)都能參與電池的充放電控制和管理。在電池充放電過程中，上位機(jī)分析收到的電池狀態(tài)和信息，同時(shí)判斷電池組中所有電池是否發(fā)生過充電、過放電或過溫，由于充放電設(shè)備與上位機(jī)之間存在CAN通信，會(huì)及時(shí)按照上位機(jī)的程序指令動(dòng)作。這種控制模式可以方便的用于電池組充放電策略的研究，上位機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的控制策略計(jì)算出充放電設(shè)備的電壓、電流控制值，并發(fā)送給充放電設(shè)備使其動(dòng)作。同時(shí)這種控制模式也可以模擬電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行情況，提高了充放電設(shè)備的智能化水平，簡(jiǎn)化了充電工作人員設(shè)置充電參數(shù)等繁瑣的工作，使得充電機(jī)具有了更好的適應(yīng)性，充電機(jī)只需要得到上位機(jī)提供的指令就能實(shí)現(xiàn)安全充電。

5系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試該系統(tǒng)，使用3.7V/80Ah的錳酸鋰電池做恒流恒壓充電試驗(yàn)。在上位機(jī)程序中設(shè)置如下參數(shù)：恒流階段充電電流80A,充電截止電壓4.2V,恒壓階段截止電流0.1A,得到的充電曲線如圖4所示。

圖4恒流恒壓充電曲線

從圖中可以看到，在恒流充電時(shí)，電流值保持恒定，電壓穩(wěn)步上升，達(dá)到截止電壓后，電池開始恒壓充電，電壓值基本穩(wěn)定，電流值逐漸下降至截止電流，達(dá)到了控制目的。在整個(gè)測(cè)試過程中，充電機(jī)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的按照上位機(jī)的編程指令動(dòng)作，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，采樣精度高，其中電壓測(cè)量相對(duì)誤差最大值為0.5%,電流測(cè)量平均誤差為0.41%,溫度測(cè)量誤差為0.5%,安時(shí)、瓦時(shí)計(jì)量誤差均在0.5%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

6結(jié)論

該測(cè)試平臺(tái)能夠準(zhǔn)確反應(yīng)電池狀態(tài)的變化，為最大限度的發(fā)揮電池性能，提高電池使用效率，實(shí)現(xiàn)電池容量和能量的高效利用提供數(shù)據(jù)支持，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。上位機(jī)監(jiān)控程序模塊化，結(jié)構(gòu)化的優(yōu)點(diǎn)，保證了系統(tǒng)良好的功能擴(kuò)展性，為動(dòng)力電池的性能測(cè)試、算法驗(yàn)證、充電方法研究提供了可靠的平臺(tái)，為電動(dòng)汽車的推廣使用奠定了基礎(chǔ)。